DE2458291A1 - Schmiedeverfahren - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

K. SIEBERT G. GRÄTTINGEn

Dlpl.-Ing. Dlpl.-Ing., Dlpl.-WIrtsch.-Ing.

81S Sta.r.tcrg bei München Po^fach 16Ό, Almeidaweg 12 Telefon (08151) 1 27 30 u. 41 15 Telegr.-Adr.: STARPAT Starnberg

den

Anwaltsakte 6o28/2

Bayer. Le ich tent allwerk, Graf Blücher von Wahlstatt KG. 8 München 4o_f Frankfurter Ring 227

Schmiede verfahren

Die Erfindung betrifft ein Sc\miedeverfahren zum Herstellen eines Werkstücks aus mindestens vor dem Schmieden formschlüssig ineinandergreifenden, unabhängia hergestellten Teilen, die zuerst erhitzt und dann durch gemeinsames Verformen in einem Schmiedeaesenk miteinander verbunden werden.

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Das Zusairanenschmieden von Teilen unter Bildung eines aus diesen Teilen zusammengesetzten einzigen Werkstücks ist bekannt. Zur Herstellung eines Kecrelrads (US-PS 3 72 7 999)

werden zwei entsprechend geformte, ineinanderpassende Ringe separat auf pulvermetallurgischem Woo hergestellt, wobei die Zusammensetzung der Legierungspulver an die unterschiedliche Beanspruchung der beiden Ringe als Teil des fertigen Kegelrads angepaßt wird. Im Falle des Kegelrads wird der äußere, die Verzahnung aufnehmende Ring hinsichtlich seiner Werkstoffzusammensetzung für höhere Beanspruchungen auszulegen sein, als der innere die Bohruna zur Aufnahme der Antriebswelle begrenzende Ring. Die Ringe werden durch einen Preßvorgang miteinander verbunden und können durch anschließendes Warmschmieden noch weiter verdichtet werden.

Es ist ferner Gekannt (US-PS 3 772 935) Werkstücke mit unterschiedlich beanspruchten OberflHchen dadurch herzustellen, daß in eine Form zwei unterschiedlich zusammengesetzte SintermetallansStze unvermischt eingefüllt werden, wonach die beiden Pulverschichten zusammengepreßt und gesintert werden.

Die bekannten Verfahren erreichen durch Verwendung unterschiedlicher Ausgangsmaterialien in Anpassung an unterschiedlich beanspruchte Zonen eines Werkstücks eine Einsparung an Werkstoffkosten, da ansonsten bei homoaener Werkstoffzusj-jOinensetzung eines Werkstücks der Werkstoff stets der höchsten Beanspruchung des Werkstücks angepaßt werden muß. Um eine innige Verbindung der Teile des Werkstücks unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzuno zu erhalten, werden als Ausgan «"^materialien für die gemeinsame Weiterverarbeitung ausnahmslos Sinterteile verwendet.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schmieden von aus mehreren Teilen zusammengesetzten Werkstücken für ein breites Anwendungsgebiet nutzbar zu machen, insbesondere die vorteilhafte Kombination einfacher und komplizierter Formgebungen bereichsweise unterschiedlich teurer Materialien oder sonstiger unterschiedlicher Eigenr· schäften an einem Werkstück wirtschaftlich zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eines der Teile ein pulvermetallurgisch hergestellter Formkörper ist, während das andere Teil ein schmelzmetallurgisch . hergestelltes Formstück ist. Der Erfindung liegt demnach der allgemeine Gedanke zugrunde, einen gesinterten Pormköiper und ein schmelzmetallurgisch hergestelltes Formstück bevorzugt aus Stahl oder Stahlguß, durch gemeinsames Verformen im Schmiedegesenk miteinander zu verbinden.

Eine besonders innige Verbindung von Formkörper und Formstück läßt sich erfindungsgemäß dadurch erzielen, daß diese Teile vor oder nach ihrem Zusammenfügen in Art einer Bohrung-Zapfen-Verbindung für den SchmiedeVorgang erhitzt werden. Dabei gilt es, für die jeweiligen Werkstoffe die entsprechenden Schmiedetemperatüren zu erreichen. Bei ihrer Verformung fließen die Werkstoffe der ineinandergefügten Teile im Bereich der Bohrung-Zapfen-Verbindung über deren Begrenzungen hinaus, so daß es zu. einer verzahnten Verbindungsfläche der Schweißverbindung zwischen den beiden Teilen kommt.

Eine besonders hohe Verdichtung der Werkstoffe läßt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreichen, daß Formkörpeis und Formstück, an gleichartig konischen Flächen aufliegend," ineinandergreifen und während des Schließen^ der das Schmiedegesenk bildenden Gesenkhälften in Schließrichtung des Gesenks noch weiter ineinandergeschoben werden. Das Schmieden

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kann dabei in einem Schlag im geschlossenen, bevorzugt gratfreien Gesenk erfolgen, wobei die zu verbindenden Teile zusammengestaucht werden.

Durch die oben erwähnte konische Anlagefläche von Formkörper und Formstück wird die axiale Stauchung des VTerkstücks in Schließrichtung der Gesenke noch unterstützt durch eine radiale Pressung, se daß diese im Sinne der bekannten Reibschweißung an der Grenzfläche untrennbar miteinander verbunden werden.

Brfindungsgemäß wird der Effekt ausgenutzt, daß das schmelzmetallurgisch hergestellte Formstück beim Schließen der Gesenke in Art eines Preßstempels ganz oder teilweise in den gesinterten Formkörper gepreßt wird. Das Formstück kann dabei zentrisch oder exzentrisch in den gesinterten Formkörper hineingedrückt werden.

Zweckmäßigerweise sind beim Erhitzen der Schmiedeteile vor dem Schmieden die bekannten fachmännischen Regeln einzuhalten. So ist es vorteilhaft, das Erhitzen unter Schutzgas durchzuführen; ferner, den pulvermetallurgisch en Formkörper auf eine höhere Temperatur zu erhitzen als das schmelzmetallurgische Formstück. Zur besseren Ausnutzung der Preßstempelwirkung des schmelzmetallurgischen Formstücks ist es zweckmäßig, daß der in den pulvermetallurgischen formkörper eindringende Abschnitt des öctomelzmetallurgischen Formstücks höher erhitzt wird als das übrige Formstück,,

Das obige Verfahren findet bevorzugt Anwendung zur Herstellung von Ach s kegel rädern, indem deren Schaft durch das schmelzmetallurgisch hergestellte Formstück aus einem Stabstahl gebildet wird, der stehend in der unteren Gesenkhälfte angeordnet und an seinem beim Schließen des Gesenks in die obere Gesenkhälfte eindringenden Ende einen konischen Abschnitt aufweist· Auf dem Konus kann dann beispielsweise der oesinterte

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Formkörper als konischer Ring aufgesetzt werfen, in welchem die Verzahnung ausgebildet ist. Diese kann in dem. gesinterten formkörper bereits vorgeformt sein.

Hinsichtlich der Ausbildung des Schmiedegesenks besteht ein erfindungsgemäßer Vorschlag darin, daß die Gravur der unteren Gesenkhellfte eine Bohrung zur Aufnahme des den Schaft bildenden Stabstahls umfaßt, dessen über die Bohrung hinausragender Teil an seiner Stirnseite gegen einen federnd in der oberen Gesenkhälfte gelagerten Zentrierbolzen abgestützt ist.

Nach einer erfinderischen Variante des eingangs beschriebenen SchmiedeVerfahrens zum Herstellen eines Werkstücks aus zwei Teilen, wobei in einen Gesenkhohlraum in der unteren Gesenkhälfte des Schmiedegesenks ein Sintermetallpulver eingefüllt wird, ist vorgesehen, daß ein mindestens im Verbindungsbereich -auf Schmiedetemperatur erwärmtes, schmelzmetallurgisch hergestelltes Formstück, insbesondere aus Stahl oder Stahlguß während des Schließens der das Schmiedegesenk bildenden Gesenkhälften in den mit Sintermetallpulver gefüllten erwärmten Gesenkhohlraum hineingepreßt wird.

Nach dieser Variante wird auf das gesonderte Herstellen eines vorgepreßten bzw. vorgesinterten Formkörper verzichtet. Sintern und Verdichten erfolgen unter gleichzeitiger Materialumformung im geheizten Schmiedegesenk, dessen Temperatur zweckmäßig über 750⁰C beträgt.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Schmiedehitze und die Materialumformung eine ausgezeichnete, innige Verbindung von gesintertem Formkörper und schmelzmetallurgisch hergestellten Formstück erzielt. Di» Verwendung eines schmelzmetallurgisch hergestellten Formstücks als Teil des fertigen Werkstücks ergibt eine deutliche Kostensenkung gegenüber den vergleichbaren, bekannten Verfahren, bei denen die Ausgangs-

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teile ausnahmslos auf pulvermetallurgischem Weg hergetellt werden, was mit einem höheren Aufwand verbunden isι. Außerdem kann die Zusammenfassung eines Werkstückes aus einem schmelzmetallurgisch und pulvermetallurgisch hergestellten Teil dann vorteilhaft sein, wenn das fertige Werkstück durch eine besonders einfache Form und einer komplizierten Form zusammengesetzt ist. Nur letzteren wird man dann durch einen pulvermetallurgisch hergestellten Teil darstellen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeiot

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch das Schmiedegesenk.

Fig. 2-5 jeweils einen Längsschnitt durch ein anderes Achskegelzahnrad.

Fig. 6 einen axialschnitt durch einen Synchronisierungsring.

Fig. 7 einen Axialschnitt durch ein Tellerradsegment mit Schaft, vor dem Schmieden.

Fig. 8 einen Axialschnitt durch das Tellerradsegment gemäß Fig. 7 nach dem Schmieden und

Fig. 9 eine Draufsicht auf das Tellerradseament des fertiggestellten Werkstücks.

Fig. 1 zeigt einen vertikale*j Schnitt durch ein Schmiedegesenk, bestehend aus oberer Gesrenkh^lfte 1 und unterer Gesenkhälfte 2. In einer Bohruna 3 der unteren Gesenkhälfte 2 ist ein Stabstahl 4 aufgenommen. In ihrem unteren Bereich istdie Bohrung 3 im Durchmesser gerlngfüoig erweitert. An der unteren Stirnfläche 6 des Stabstahls 3 liegt der Auswerfer 7 an. Die obere Gesenkhälfte ist in zwei Stellungen gezeichnet. Die linke Hälfte gemäß Ficr. 1 zeigt die Ausαangsstellung vor dem Schmiedeschlag; die rechte Hälfte zeigt die Fndstelluna nach dem Schmiedeschlag. Die obere Gesenkhälfte ist zusammengesetzt aus dem Schrumpfring 8, in welchem zentrisch die

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eigentliche Matritze 9 aufgenommen ist. Die Lage beider Teile ineinander wird durch die am Schrumpfring befestigte Führungsplatine 1o gesichert, deren innere Umfangsflache 11 gleichzeitig als Führungsfläche gegenüber einer entsprechenden Führungsfläche 12 der unteren Gesenkhälfte dient. Der Stabstahl 4 ist in seinem über die Bohrung 3 in der unteren Gesenkhälfte hinausragenden Bereich 13 nach oben hin konisch zugespitzt. Seine obere Stirnfläche ist gegen die untere Stirnfläche eines Zentrierbolzens 14 abgestützt. Der Kopf 15 des Zentrierbolzens 14 ist mit seiner Umfangsfläche in einer Bohrung 16 des Schrumpfrings in der Schließrichtung gemäß Pfeil P des Gesenks geführt. Seine obere Stirnfläche ist mittels einer Tellerfeder 17 an der Unterseite eines die Bohrung 16 nach außen verschließenden Deckrings 18 abgestützt. Der Deckring 13 ist in einer entsprechenden Eindrehung des Schrupfrings 3 angeordnet und am Schrumpf ring befestigt. Aus Verschleißgründen ist der den Zentrierbolzen 14 führende Teil der Matritze 9 durch ein^n von dieser gesonderten Druckring 19 gebildet.

Auf den konischen Bereich 13 des Stabteils 4 ist der gesinterte Zahnkranz 2o, der die Form eines konischen Rings aufweist, aufgesteckt. Die Darstellung der rechten Hälfte der oberen Gesenkhälfte zeigt, daß nach dem Herabfahren der oberen Gesenkhälfte unter entsprechender Verformung der Tellerfeder 17 die Höhe des gesinterten Zahnkranzes um die eingezeichnete Hublänge gegenüber der auf der linken Hälfte dargestellten Ausgangsstelluna verringert ist. Die damit verbundene Volumensverkleinerung entspricht der erzielten Verdichtung des Materials des Zahnkranzes Der damit verbundene Materialfluß in Verbindung mit der Sehmiedehitze bewirkt dieinnicre Verbindung des Zahnkranzes 2o mit dem Stahlstab 4 im Bereich seines konischen Abschnitts 13. Vor dem Schmieden werden Zahnkranz und oberer Bereich des Stab-

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Stahls, bevorzugt durch induktive Erwärmung, auf eine Schmiedetemperatur von ca. 1ooo bis 13oo C oebracht. Zur Erhaltung der blanken Metalloberfläche erfolgt die Erwärmung zweckmäßig unter Schutzgas. Demgegenüber schwankt die Temperatur der Gesenkteile etwa zwischen I00 und 3oo C. Selbstverständlich wird in die Gravur der Gesenke vor jedem Schmiedevorgang in der üblichen Weise

ein Schmiermittel eingebracht. Das Schmieden erfolgt in einem einzigen Schmiede sch lag. Das· gewählte geschlossene Gesenk verhindert die Ausbildung eines Grats. Nachdem Abheben der oberen Gesenkhälfte 1 wird das fertige Werkstück mittels des Auswerfers 7 aus der unteren Gesenkhälfte 2 entfernt.

Die Figuren 2-5 zeigen jeweils andere Beispiele für die Ausbildung und Verformung zweier zusammen ein Achskegelrad ausbildender Teile. Die rechte Hälfte der einzelnen Darstellungen zeigt jeweils einen Schnitt durch die ineinandergefügten Teile vor den Schmieden, während die linke Hälfte der Zeichnunasfiguren einen Schnitt durrh das fertiggeschmiedete Werkstück zeigt. Der schaft der genannten Werkstücke besteht jeweils aus einem schmelzmetallurgisch hergestellten Stabstahl; et bildet, im Sinne der Patentansprüche das dort bezeichnete Formstück. Auf einem Ende des Schafts ist der pulvermetallurgisch hergestellte, nach dem Schmieden die Verzahnung aufweisende Zahnkranz aufgesteckt. Gemäß Fig. 2 ist die Bohrung 21 des Zahnkranzes 22 in ihrem Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Schafts 23. Dadurch entsteht an dem Schaft 23 eine Schulter 24 im tfberganosbereich zwischen dem Außenumfang des Schafts 23 und dessen abgedrehtem, in das Innere der Bohrung 21 eintretenden Ende. Diese-Schulter bewirkt beim Schmieden die Ausbildung einer rotationssymmetrischen Verbindiungsfläche zwisdien den beiden Teilen, deren Querschnittsform durch die Linie 25 angegeben ist.

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Eine Verzahnung der zu einem Werkstück verbundenen Teile infolge des Schmiedeschlags läßt sich aber auch noch durch andere Ausgangsf oriren der den Schaft bzw. den gesinterten Zahnkranz bildenden Rohlinge erzielen'. Gemäß Fig. 3 ist das Verbindungsend? des Schafts 23 abgerundet; das Ende des Schafts 23 tritt nur teilweise in eine entsprechend ausgerundete Sacklochbohrung 26 im Zahnkranz 22 ein. Der Linie 25 gemäß Fig. 2 entspricht bei Fig. 3 die Linie 27; hier wird also eine noch intensivere Verzahnung zwischen miteinander verschweißten Teilen erzielt.

Die Querschnittsform gemäß Fdg. 4 zeigt eine Ausbildung, die eine gewisse Ähnlichkeit mit Fig. 2 hat. Der Unterschied liegt darin, daß der Zahnkranz 22 eine sich nach oben hin verengende konische Bohrung 28 aufweist. Die durchgeführten Versuche, anhand deren Schliffbilder hergestellt wurden haben jedoch in deutlicher Weise gezeigt, daß die Verbindung zwischen den Teilen entsprechend der Form der Verbindungslinie 29 inniger, das heißt die Verzahnung stärker ist. An der Verbindungslinie 29 gemäß Fig. 4 ist noch bemerkenswert, daß diese von der Innenschulter 3o des fertiggeschmiedeten Werkstücks aus senkrecht zur dem Schaft zuaewandten Rückenfläche 31 des Zahnkranzes 22 verläuft. Ein solcher Verlauf der Verbindunglinie 29, wie er in ähnlicher Weise auch bei Fig. 3 auftritt,stellt sicher, daß die Verbindunglinie an keiner Stelle außerhalb der Innenschulter 3o <λ die Oberfläche des Werkstücks mündet. Damit sind die Mögl-' chkeiten der Bildung eines Anrißes im Verbindungsbereich der beiden Teile sehr beschränkt.

Fig. 5 zeicrt einen Querschnitt mit zylindrischer Bohrung des Zahnkranzes 22. Am Schaft 23 ist keine Schulter zur Aufnahme des Zahnkranzes ausgebildet. Es kommt daher beim Schmieden zu .einer im wesentlichen radialen Verdichtung im Bereich

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der Verbindimgstelle der beiden Teile, so daß sich deren Verbindungsfläche im Schnitt wie eine in das Schaftinnere gewölbte Linie 33 abzeichnet. Das Schaftende braucht hier nicht durch Teile des Gesenks abgestützt zu sein. Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Synchronisierungsring, wobei die linke Hälfte der Fig. 6 den schmelzmetallurgisch hergestellten Innenring 34 und den diesen umgebenden pulvermetallurgisch hergestellten Außenring 35 vor dem Schmieden zeigt. Nach dem Schmiedevorgang ergibt sich der in der rechten Hälfte der Fig. 6 dargestellte Querschnitt sauf bau, in welchen wiederum die Verbindungslinie zwischen dem Außenring 35 aus duktilerem Material und dem Innenring 34 aus verschleißfesterem Material darstellt.

Das in Fig. 7, vor dem Schmiedevorgang dargestellte, aus zwei Teilen bestehende Zahnsegment mit Schaft ist in den Fig. 8 und 9 im Zustand nach dem Schmieden, und zwar im Querschnitt und in der Draufsicht auf das Zahnsegment dargestellt. Die Ausgangsteile vor dem Schmieden sind gemäß Fig. 7 der Schaft 34, dessen abgedrehtes Ende in eine Bohrung 35 des Rohlings 36 für das spätere Zahnsegment eintritt. Der Rohling 36 besteht aus vorgepresstem bzw. gesintertem Werkstoff; der Schaft 34 ist ein schmelzmetallurgisch hergestellter Stahlstab. Da die Verbindung der beiden Rohteile derjenigen gemäß Fig. 2 entspricht ergibt sich folgerichtig auch eine im Schnitt gleichartig verlaufende Verbindungslinie 37. Die Verbindungslinie 37 ist ein Schnitt durch die Verbindungfläche zwischen den beiden Rohteilen, deren Werkstoffe im Bereich dieser Verbindungsfläche untrennbar miteinander verschweißt sind. Wesentlich für das Zustandekommen einer solchen bezüglich der Längsachse des Schafts 34 radial ausbauchenden Verbindungslinie 37 ist die im Bereich der Verbindungsfläche der beiden Rohteile ausgeübte Stauchwirkung.

- Patentansprüche 609826/0017

Claims (12)

Patentansprüche

1. Schmiedaver fahren zum Herstellen eines Werkstücks aus mindestens zwei vor dem Schmieden formschlüssig ineinandergreifenden, unabhängig hergestellten Teilen, die zuerst erhitzt und dann durch gemeinsames Verformen in eJ.nem Schmiedegesenk miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Teile ein pulvermetallurgisch hergestellter Formkörper ist,während das aridere Teil ein schmelzmetallurgisch hergestelltes Formstück ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper vorgepreßt oder vorgesintert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile vor oder nach ihrem Zusammenfügen in Art einer Bohrung-Zat> fen- Verb in dung für den Schmiedevorcrang erhitzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennr zeichnet, daß Formkörper und Formstück, an gleichartig konischen Flächen aufliegend, ineinandergreifen und während des Schließens der das Schmieifecelenk bildenden Gesenkh?lften in Schließrichtung des Gesenks noch weiter ineinaAder geschoben werden. ·

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß das Schmieden in einem Schlag im geschlossenen Gesenk erfolgt, wobei die zu verbindenden Teile zusammengestaucht werden.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzmetallurgisch heraestellte Formstück beim Schließen des Gesenks in Art eines Preßstempeis ganz oder teilweise in deti Formkörper gepreßt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen unter Schutzgas erfolat.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der pulvemetalluraische Formkörper auf eine höhere Temperatur erhitzt wird als das schpelzmetallurcische Formstück.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den pulvermetallurgischen Formkörper eindringende Abschnitt des schmelzmetallurgischen Formstücks höher erhitzt wird als das übrige Formstück.

ο.Schmiedeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Herstellen eines Achskegelrads, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft durch das schmelzmetallurgisch hergestellte Formstück aus einem Stabstahl gebildet wird, der stehend in der unteren Gesenkhälfte anoeordnet und an seinen bei Schließen des Gesenks in die obere Gesenkhälfte eindringenden Ende einen konischen Abschnitt aufweist.

11.Schmiedegesenk zur Anwenduno fi5r das Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, de.R die Gravur der unteren Gesenkhälfte eine Bohrung zur Aufnahme des den Schaft bildenden Stabstahls umfaßt, dessen über die Bohrung hinausragender Teil an seiner Stirnseite gegen einen federnd in der oberen Gesenkhälfte gelagerten Zentrierbolzen abgestützt ist.

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12. Schmiedeverfahren zum Herstellen eines Werkstücks aus zwei Teilen, wobei in einen Gesenkhohlrpum in der unteren Gesenkhälfte des Schmiedeaesenks ein Sintermet a llpulver eingefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens im Verbindungsbereich auf Schmiedefcen>peratur erwärirtes, schmelzrifcjtalluraisch hergestelltes Formstück, insbesondere. aus Stahl oder Stahlquß wShrend des Schließens der das Schmiedegesenk bildenden Gesenkhälften in den mit Sintermetallpulver efüllten erwärmten Gesenkhohlraum hineingepreßt wird.

9. Dezember 1974/658 d

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